常用蛋白酶酶切位點及融合標簽去除策略
目前主要通過4種方法移除多肽標簽,即化學法、內切蛋白酶法、外切蛋白酶法以及基于內含肽的自我剪切法。
最常用的便是溴化氰(CNBr)法,原理是CNBr能斷裂甲硫氨酸和下游氨基酸殘基之間的肽鍵(Met-X, X為任意氨基酸)。化學法具有效率高、耗時短、成本低等優點。化學法也有很多不足,例如化學法所需的反應條件容易破壞目標蛋白的結構和功能,而且所使用的溴化氰等試劑具有毒性,不適合藥用蛋白的處理及研究。化學法使用的溴化氰能夠使蛋白質在甲氨酸殘基處斷裂,如果目標蛋白含有內源甲氨酸殘基,會發生非特異性斷裂,導致降解和破壞目標蛋白。而且化學法切割時容易產生副反應,會對修飾一些氨基酸側鏈而改變目標蛋白的特性。這些缺點限制了化學法在移除多肽融合標簽時更為廣泛的應用。
常用的內切蛋白酶及識別的位點如下:
蛋白酶 | 識別位點 | 其他特征 |
Thrombin |
Leu-Val-Pro-Arg↓Gly-Ser (LVPRG↓S) |
切割效率與二級結構有關 |
Factor Xa |
Ile-Glu/Asp-Gly-Arg↓ (IE/DG↓R) |
切割效率與GR附近的二級結構有關 |
Enterokinase |
Asp-Asp-Asp-Asp-Lys↓(DDDDK↓) |
切割效率與二級結構有關 |
TEV protease |
Glu-Asn-Leu-Tyr-Phe-Gln↓Gly(ENLYFQ↓G) |
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PreScission |
Leu-Glu-Val-Leu-Phe-Gln↓Gly-Pro(LEVLFQ↓GP) |
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HRV 3C Protease |
Leu-Glu-Val-Leu-Phe-Gln↓Gly-Pro(LEVLFQ↓GP) |
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SUMO Protease |
識別SUMO的三維結構 |
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內切蛋白酶的特異性和酶切效率主要受3種因素影響。第一種因素是內切蛋白酶固有的非特異性酶切。有些內切蛋白酶如FactorXa和凝血酶存在著第二切割位點,而且隨著反應條件的不同其第二位點的切割效率也是變化的。非特異性切割可以通過控制反應條件減少,但不能完全消除,因此需要優化條件減少非特異位點切割,并且需要檢測切割后的產物,以確定目標蛋白產物的均一性。第二種因素是目標蛋白的結構。由于蛋白質肽鏈的空間折疊,有些融合蛋白的酶切識別位點位于蛋白質結構內部,內切蛋白酶活性中心難以接觸到識別位點,導致酶切效率低下。例如利用腸激酶對處于聚集狀態的目標蛋白所含的多聚組氨酸標簽的切除研究證實,只有使目標蛋白結構發生一定的變化,暴露出腸激酶的切割識別位點,才能很好地達到標簽切除的目的。第三種因素是溶液中化學成分如去垢劑的影響。在純化一些疏水性蛋白和跨膜蛋白時,需要加入去垢劑,有可能會影響內切蛋白酶活性而降低酶切效率。例如去垢劑在低濃度范圍內對TEVprotease酶切效率影響不明顯,但是達到一定濃度后會明顯抑制酶活性
。
三、外切蛋白酶法外切蛋白酶的種類包括氨基肽酶和羧肽酶,分別可以用來切除位于目標蛋白N端和C端的融合標簽,例如氨基肽酶M(aminopeptidaseM,APM)和羧肽酶A和B(carboxypeptidaseA和B,CPA和CPB)等。
在利用外切蛋白酶法移除融合標簽的系統中,最有代表性的是QIAGEN公司基于二肽氨基肽酶I(dipeptidylaminopeptidase I,DPPI,商業名稱為DAPase)的作用機理所提供的TAGZyme系統,用于移除N端的多聚組氨酸標簽。DAPase能夠從蛋白質N端依次切除二肽,切除反應的終止位點為N端出現Lys、Arg、Gln殘基,或者在N端第2個或第3個氨基酸殘基是Pro。如果目標蛋白在N端具有天然的DAPase切除終止位點,可以直接設計利于DAPase切除的融合標簽,構建相應重組蛋白質。
內含肽(intein)是前體蛋白中的一段插入序列,能夠自我催化蛋白質的剪接(protein splicing),使自身從前體蛋白中切除,并將兩側外顯肽(extein)連接形成成熟蛋白。目前已經發現超過450個以上的內含肽,分布于真核生物、真細菌和古細菌、病毒和噬菌體。
相比于化學法,自我剪切法條件溫和,不會使目標蛋白損傷變性。相比于酶切法,自我剪切法簡化了純化過程,節約了成本和時間。傳統的酶切法需要多次過柱和多步純化,以分離融合蛋白和除去蛋白酶及融合標簽。而自我剪切法能夠免除酶的消耗及過柱所產生的昂貴費用。
自我剪切法也存在一些缺點,例如外顯肽靠近內含肽的殘基能夠影響自我剪切效率。對于某些蛋白質,需要在目標蛋白與內含肽的接頭端引入氨基酸殘基提高剪切效率,從而會給目標蛋白產物帶來多余的氨基酸殘基。
自我剪切法的誘導條件也不易控制,融合蛋白可能會在表達過程中發生體內誘導的提前剪切導致純化失敗,而且有些自我剪切的誘導劑如巰基試劑會影響目標蛋白的二硫鍵及相應結構。
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